百善煤矿含水层下留设防砂煤柱开采的地质保障系统

摘要:通过对百善煤矿十几年来中等富水性的松散含水层下留设防砂煤柱开采的实践,总结出一套确保成功开采的地质保障系统,并对该系统的各个组成部分进行定性、定量分析。指出地质保障系统是矿井优化设计、实现安全高效的前提条件和基础保证,具有巨大的决策效益和经济效益。
关键词:含水层;防砂煤柱;地质保障系统;百善煤矿

1 　引言
百善煤矿地处安徽淮北煤田闸河矿区东南部,系一孤立的向斜盆地,含煤地层为二叠系石盒子组和山西组,主采煤层为6 号煤层,平均倾角8°,厚2. 6～3. 2 m ,为优质无烟煤。区内地质构造中等。由于6煤层全被新生界平均厚约140 m左右的巨厚松散含水层所覆盖,特别是底部含水层直接覆盖在煤系露头之上,为确保矿井浅部煤层的安全开采,原矿井设计留设垂高40 m 的防水煤岩柱,压煤1 411 万t 。矿井于1977 年建成投产,设计能力45 万t/ a 。而1986年后矿井实际生产能力均在100 万t/ a 以上,在矿井无扩大地质储量可能条件下,提高回采上限、缩小防水煤柱,成为百善矿延长矿井服务年限、提高企业经济效益的首选途径。
为此, 从1987210 ～ 1990211 和2000205 ～ 2002210 ,通过与安徽理工大学合作,分别在矿井南部的65 采区、北部66 、68 采区开展了《中等含水层下留设防砂煤柱开采试验研究》和《风氧化带内煤层安全开采技术试验研究》项目。目前,防砂煤岩柱高度从40 m 缩减至11. 6 m ,累计已从32 个工作面安全回收原防水煤柱压煤497 万t ,取得了可观的经济效益和社会效益,同时也积累了丰富的开采实践经验。
2 　中等含水层下留设防砂煤柱的地质保障系统
2. 1 　松散层结构特征分析
新生界松散层水体是百善井田乃至整个两淮新区的主要含水层之一,其下部含水砂层是影响开采的主要水患。百善井田新生界松散层平均厚约140 m ,自上而下划分为4 个含水层组和3 个隔水层组。其中第一、二含水层,在全井田内普遍发育,分布稳定,富水性中等;但因有分布稳定,隔水性能良好的第一、二隔水层隔离,一般条件下对矿井无充水影响。第四
含水层多为残积和堆积物,由粘土质砾石、粘土夹砾石、砂及粘土组成,为一弱含水层;仅在矿井F3 南部发育,是矿井南部的间接充水水源,在粘土含量较高时,则具有相对隔水作用。第三含水层,在全田井分布稳定,是一中等富水的含水层,一般厚28 m。上段是较厚的夹砾粗砂层,中下段为砂、粉砂、粘土质砂和薄粘层互层的复合结构,为典型河湖相交替沉积物。其中砂砾、粉砂含量由上而下逐渐减少,而细砂、粘土的含量由上而下则显著增加,粘土层塑性指数大多为15～19 ,因此,三含的水平渗透能力比垂直渗透能力强。第三隔水层,主要由粘土层、砂质粘土组成,局部夹砾石层,属湖相沉积物。其中粘土层的塑性指数为12～22 ,膨胀率一般多在13 %左右。在南部,厚度一般大于5 m ,可以起到相对隔水作用;但在北部三含直接赋存于煤系地层之上,由于古地形条件控制,其下三隔沉积厚度变化较大,分布不稳定,大范围内厚度小于5 m ,并有三隔缺失的“天窗区”,且“天窗区”周围尚有三隔厚度在3 m 以下的薄粘区,无有效隔水作用,是三含水垂直向下渗漏的主要区域,对矿井安全生产有较大影响。
综上所述:松散层中三含、三隔厚度,是水文地质条件分析中一个重要指标。三含主要接收区域径流补给,同时又主要以大面积越流方式向煤系补给,渗透能力较强,为中等富水的含水层。其下的三隔则是一组厚度很不稳定的相对隔水层,据其分布的差异可大致将井田划分为以F3 断层为界的南、北两个水文单元,两单元在提高回采上限工作中的重点存在差异。在北部,三含是对煤层开采具有直接影响和威胁的主要水体,原浅部留设40 m 垂深防水煤柱基本上全在此区域,也是大幅度缩小防水煤柱、留设防砂煤柱、提高回采上限的地段。在南部,三含威胁减小,则是考虑风氧化带内留设小尺寸防砂煤柱,乃至防塌煤柱的区域。
2. 2 　基岩风化带特征分析
2. 2. 1 　古地形特征及基岩风化带深度
百善井田地貌处于淮北北部山区与南部平原交接的边缘剥蚀区,基岩面地形由北向南有一定缓坡,基岩面起伏变异系数仅为0. 08 ,基岩面上绝大部分为残积物所覆盖,无冲刷痕迹。基岩风化带铁锈斑及黄黑色花斑极为发育,反映风化处于温暖而湿润的氧化还原环境之下,风化带得以充分发育,井田煤系上方基岩面形成一普遍的风化壳。水文勘测试验的大量试验数据表明,在一定范围内,基岩风化程度及深度是比较均匀的,尤其在一个工作面范围内基岩风化带的厚度基本上是一致的。其中南部风化深度5～20 m ,一般18 m ,强风化带7～15 m;北部风化深度4. 5～45. 6 m ,一般15～25 m ,强风化带10～37 m。
2. 2. 2 　基岩风化带岩石属性
百善煤矿主采煤层之上20 m 左右高度范围内,泥岩、砂质泥岩、粉砂岩和泥质胶结的砂岩,一般占80 %以上;而坚硬、较坚硬砂岩总厚度较小,单层厚度一般2～4 m;同时,基岩面下10 m 岩层段大多遭受了强风化。对基岩面下强风化段的粉砂岩、细砂岩经岩矿薄片分析,多为泥质胶结,遭受强风化作用后,所含长石类矿物大多粘土化,尤其是泥岩、铝土质泥岩,受水侵蚀后,多迅速膨胀、崩解,泥化程度变高。大量试验表明:遭受风化后,岩石强度普遍降低,塑性普遍增强,抑制了岩层破坏向上发展,使冒落裂缝高度大大降低;而风化岩层受水侵蚀后迅速崩解、膨胀泥化,原生和采动裂隙易被压密、弥合,使透水性减弱,隔水能力大大增强,并在强风化段形成良好的阻隔水屏障。这就为在风氧化带内开采,防止上部松散层水溃入或大量涌入井下,实现正常安全生产,创造了良好条件。
2. 3 　两带发育高度及覆岩破坏规律分析
覆岩破坏与两带高度探测主要采用了地面钻孔观测法,辅以井下工作面直接观测和涌水量测定。百善煤矿在0、6、7 采区施工了20 个两带高度孔,得到该矿井实测冒落带高度和导水裂缝带发展高度。由实测资料可知:
a. 　在采矿地质条件几乎相同情况下,两带高度与采高成正比,综、炮采均符合这一规律。
b. 　软弱、泥化、风化程度愈高,两带高度则愈低,致使大采高综采条件下两带高度发展受严重限制,这对中等含水体下留设防砂煤柱的开采比较有利。观测资料还表明,回采上限提高得越高,导水裂隙带发育高度越低。冒采比、裂采比值见表2。
c. 　风化软弱覆岩塑性大、韧性好,利于整体弯曲下沉和压实。
d. 　风化泥岩及泥质胶结的砂岩受采动影响后,破坏高度减小,裂缝发育和开裂程度降低,不具透砂、透泥和大量透水能力。
e. 　老顶岩层运动的剧烈程度减轻,工作面来压强度相应降低,来压步距减小;初次来压和周期来压不明显,静压大,动压小,动载系数小。因此,只要选取合理支护设备即高强的支护性能(初撑力大,支护阻力大) 、采取合理的支护方式是能够满足支护要求的。
2. 4 　砂岩裂隙水特征分析
煤系砂岩裂隙水是矿井充水的直接水源,采掘过程中多以顶板淋、滴水及底板渗冒水形式出现,局部地点水量较大,但一般多在2～5 m3/ h 左右。它的层外补给渠道少,主要依赖北部三含、南部四含水的越流渗透补给,补给范围及量有限,故泄水点被揭露后,均呈现衰减疏干趋势。因此,在提高回采上限设计时,应充分考虑工作面所在区域构造裂隙发育情况;具体分析临近钻孔裂隙记录和巷道泄水揭露特征;预计出水性质、合理选择留设防水煤柱的高度及回采时间。一般来讲,只要防治措施得当,该水对矿井安全生产威胁不大。
2. 5 　井上下水动态特征分析
长期观测资料表明:
a. 　三含水位呈普遍下降趋势,但未出现以重复采动影响区或“天窗区”为中心的降落漏斗,且并非是以“天窗区”作为向煤系补给的主要泄水通道,而大多是以大面积的微渗透方式向下渗漏补给。
b. 　煤层顶板含水砂层原生裂隙发育及富水性减弱,采区淋水及采空区涌水大大减小。32 个工作面安全开采实践表明:随着回采上限的逐渐提高,采空区的涌水量却逐渐减小。
2. 6 　构造影响分析
实现井田浅部煤层缩小防水煤柱、留设防砂煤柱安全开采的大前提之一,是风化段尤其是强风化带岩层不发生非均衡破坏和断裂破坏。因此,工作面设计时首先要充分考虑工作面所处的构造区域,掌握受构造应力场控制的构造裂隙、岩层节理、地质构造发育程度;其次是在此区域,各含水层分布及受构造破坏程度,以便合理留设煤柱,选定回采上限。当工作面中有断层切穿时,应适当增大防水煤柱尺寸,并采取相应的过断层保护措施,以减少顶板破坏度。到目前为止,在已采过的提高上限工作面中,大多避开落差大于3. 0 m的断层。
3 　结语
a. 　松散层结构有利于实现顶水采煤。三含本身的成分组构说明,该含水层的水平渗透能力比垂向渗透能力强。三含底部分布着较薄的砂质粘土及粘土层,微观特征又减缓了三含水的下渗能力。这样就形成了在厚松散层下顶水采煤的有利条件。
b. 　遭受强风化的基岩段内在结构及组分变异属性,决定着他们同时具有阻碍上面三含水垂直下渗和抑制下面采动裂隙向上发展的巨大作用,这也正是本矿实现防砂煤柱安全开采的基础。在提高回采上限过程中,矿区大部分地区均可留设防砂煤柱,只要采动影响不破坏基岩面下10 m 左右强风化段岩层,一般不会发生溃水、溃砂事故。
c. 　煤层顶板砂岩含水层已得到疏放。百善煤矿系一孤立的向斜盆地,盆地的底部在早期已基本开采完毕,煤层开采后形成的导水裂隙带均波及到煤系上覆砂岩含水层。因此,上述含水层的水得到部分疏放,水压得到释放,为后续采区工作面安全开采创造了良好的条件。
d. 　实现留设防砂煤柱的开采必须制定相应的安全技术措施,确保矿井安全生产和减少采区涌水量及预防出现其他意外情况。